董秀萍, 管佳佳, 項輝宇, 周小莊

(北京工商大學(xué)材料與機械工程學(xué)院,北京 100048)

金屬橡膠在巧克力奶過濾上的應(yīng)用研究

董秀萍, 管佳佳, 項輝宇, 周小莊

(北京工商大學(xué)材料與機械工程學(xué)院,北京 100048)

金屬橡膠兼有金屬和橡膠的雙重性質(zhì),具有一系列優(yōu)良特性.運用VHX-600超景深三維顯微鏡和HPCA-2便攜式污染度檢測儀等設(shè)備,選用不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的金屬橡膠,對巧克力奶進行過濾研究.通過改變材料孔隙度、絲徑和成型厚度3個因素,繪制出巧克力奶過濾前后污染度等級變化折線圖.最后對折線圖進行橫向和縱向比較,總結(jié)出材料孔隙度的降低、絲徑的減小以及厚度的增大均可提高材料的過濾性能.

金屬橡膠;孔隙度;絲徑;厚度;污染度等級

目前過濾器的過濾精度因濾材不同,應(yīng)用方向(顆粒特性)不同,沒有統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn),因而現(xiàn)有的過濾裝置種類繁多.如自來水廠一般采用沉降石英砂過濾;飲料工業(yè)采用PO、PE及尼龍單絲等濾袋多級過濾,過濾精度達到1～1 200 μm;啤酒工藝采用硅藻土進行一級過濾,得到微生物含量極低的酒品.但硅藻土、濾紙和活性炭等常用過濾材料可回收性差,用金屬橡膠作為過濾材料則避免了這一缺點.金屬橡膠是一種新型多孔彈性材料,它是由較細(xì)金屬絲經(jīng)過包括纏繞、拉伸、編織和模壓等加工工藝制作而成[1-3],其孔隙度的大小可以通過調(diào)節(jié)金屬絲徑和成型壓力來控制.由于其類似橡膠材料的網(wǎng)狀空間勾連結(jié)構(gòu)和較為特殊的制作工藝,因此金屬橡膠材料具有耐高低溫,彈性高,阻尼性能好,抗疲勞老化程度強,使用壽命長,能夠重復(fù)多次使用等獨特的性能[4].用其替代以纖維和橡膠等制造的過濾器件,在產(chǎn)品的使用壽命、使用性和可靠性能方面均有了較為顯著的改進,在油液過濾等方面有著很好的應(yīng)用,尤其是其孔隙度可以調(diào)節(jié),重復(fù)使用率好,過濾精度高.

對金屬橡膠材料的研究,我國起步較晚,主要研究工作集中在緩沖減振性能和力學(xué)模型方面,內(nèi)部過濾機制和過濾性能方面開展的工作相對較少[5-6].實驗中選取的巧克力奶在市場上有廣泛的使用范圍,近些年研究發(fā)現(xiàn),巧克力奶中還有一些顆粒等雜質(zhì)元素,影響了巧克力奶的口味,也會改變食品本身的營養(yǎng)含量,影響奶品的安全.本文擬從材料孔隙度、絲徑和成型厚度3個方面對金屬橡膠對巧克力奶的過濾效率及過濾影響因素和金屬橡膠的過濾機制、過濾性能進行研究與分析,以探討金屬橡膠的過濾特性及其主要影響因素.

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗中選取的目標(biāo)污染液為巧克力奶,配料為生牛乳、水、白砂糖、果葡萄糖漿、可可粉、卡拉膠、蔗糖素、阿斯巴甜、食用香精等,將這些配料攪拌多次,使其達到均一化.

實驗中通過對金屬絲徑的選定以及線圈繞數(shù)、成型壓力等不同加工工藝參數(shù)的調(diào)節(jié),來控制金屬橡膠元件的絲徑、孔隙度和成型厚度,制取了A、B、C 3組,共18個實驗元件(見圖1).

圖1 金屬橡膠法平面與切平面Fig.1 Metal rubber's normal plane and tangent plane

A組試件:絲徑φw=0.3 mm,厚度H=10.00 mm,體積V=103πmm3,A組的密度逐漸增大,孔隙度逐漸降低,其他參數(shù)選取見表1(根據(jù)相應(yīng)孔隙度ε的大小分為A1,A2,A3,A4,A5,A6).

表1 A組試件參數(shù)Tab.1 Specimen parameters of group A

B組試件:絲徑φw=0.15 mm,厚度H=10.00 mm,體積V=103πmm3,B組的密度逐漸增大,孔隙度逐漸降低,其他參數(shù)選取見表2(根據(jù)相應(yīng)孔隙度的大小分為B1,B2,B3,B4,B5,B6).

表2 B組試件參數(shù)Tab.2 Specimen parameters of group B

C組試件:絲徑φw=0.15mm不變,厚度、體積逐漸變化并保持孔隙度ε不變,其他參數(shù)選取見表3(根據(jù)相應(yīng)孔隙度大小、厚度大小分為C1,C2,C3, C4,C5,C6).

1.2 儀器與設(shè)備

實驗所用主要設(shè)備包括:HPCA-2便攜式污染度檢測儀,金屬橡膠流體過濾器,VHX-600超景深三維顯微鏡等,其中金屬橡膠流體過濾器剖面圖見圖2.

表3 C組試件參數(shù)Tab.3 Specimen parameters of group C

圖2 過濾器剖面圖Fig.2 Section of filter

1.3 實驗方案

1.3.1 金屬橡膠材料過濾機制分析

金屬橡膠材料的過濾機制主要有2種,一般為2種機制的綜合作用.

1.3.1.1 機械阻塞作用

金屬橡膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)中有許多大小不一相互連通的孔隙,過濾液體流經(jīng)孔隙時,大部分比孔隙尺寸大的懸浮顆粒便會被攔截,從而留在過濾元件的內(nèi)部,最后改變了孔隙度大小,起到了間接過濾的作用.金屬橡膠孔隙度越小,則在相同體積下,被擋住的顆粒數(shù)會越多,過濾效果也會越好.與金屬橡膠孔隙度、絲徑有關(guān)的平均孔隙徑可用式(1)[7]求出.

式(1)中,φ為金屬橡膠平均孔隙徑,ε是金屬橡膠孔隙度,φw為金屬橡膠絲徑.

1.3.1.2 阻尼沉積

液體在流經(jīng)金屬橡膠過濾元件時,因為金屬橡膠所具有的流體阻尼作用,導(dǎo)致液流在入口處的流動速度大于出口處的流動速度.運用式(2)[8]計算液體對過濾懸浮顆粒的作用力.

式(2)中,F為液體對流經(jīng)孔隙的懸浮顆粒的作用力;ρ為被過濾液體的密度;當(dāng)懸浮顆粒被近似為球體時,d為懸浮顆粒的近似直徑;υ為被濾液體流速.

由式(2)可知,當(dāng)液體流速降低時,對懸浮顆粒的攜帶作用會減弱.這樣,液體攜帶顆粒的能力將減弱很多,液體中很多尺寸比孔隙小但質(zhì)量較大的顆粒便會在重力作用下逐漸沉積下來.故對于同等流體,過濾速度越小,過濾效果越好.

1.3.2 實驗方案

1.3.2.1 實驗流程

實驗采取的實驗流程見圖3.

圖3 過濾實驗流程Fig.3 Flow diagram of filtrating experiments

1.3.2.2 實驗過程

實驗過程中,首先對未過濾的樣液進行膜片測試(運用VHX-600超景深三維顯微鏡對膜片進項顯微化圖像處理,然后運用HPCA-2便攜式污染度檢測儀對膜片圖像進行檢測),參照檢測儀的圖表對照,得到未過濾樣液的污染度等級.

對樣液進行過濾(取過濾器代號分別為A1～A6、B1～B6、C1～C6),待過濾完成,對過濾后的液體進行膜片測試,參照檢測儀的圖表對照,得到過濾后的污染度等級.

根據(jù)過濾前后的污染度等級,繪制出3組污染度等級折線圖,并且對折線圖進行橫向?qū)Ρ群蛥?shù)分析,得出影響金屬橡膠在巧克力奶過濾上的主要影響因素.

2 過濾分析

通過對未濾液體與過濾后液體的污染度濾紙膜片進行污染度等級檢測(主要檢測4,6,14μm顆粒的污染度等級),可以發(fā)現(xiàn)在不同孔隙度、不同絲徑、不同厚度的金屬橡膠過濾試件下,過濾后的污染等級有明顯變化(見圖4).圖中的污染度等級是Pall公司根據(jù)修訂后的ISO4406新標(biāo)準(zhǔn)給出的[9].

圖4 A組φw 0.3mm過濾后污染度等級Fig.4 Filtered pollution level ofφw 0.3mm of group A

由圖4過濾前后污染度等級的比較可以發(fā)現(xiàn),樣液經(jīng)A組金屬橡膠試件過濾后,4,6,14μm顆粒的污染度等級均明顯降低.

A1～A6組金屬橡膠試件是在其他參數(shù)不變的前提下,孔隙度逐漸減小得到的.觀察A1、A2、A3處折線,下降斜率明顯,說明試件A1、A2、A3過濾效果較好;在A4～A5、A5～A6處的折線明顯平緩,說明繼續(xù)減小孔隙度對過濾效果的影響變小,尤其是對4μm顆粒,A4～A6處的折線斜率近似于水平狀態(tài),孔隙度改變對過濾后等級的影響幾乎沒有改變(4μm顆粒污染物的直徑小,對食品原料污染較小,無需繼續(xù)減小孔隙度以改善過濾[10]).

根據(jù)式(1)分析可知,隨著孔隙度的降低,樣液中的顆粒聚集在過濾介質(zhì)周圍,形成局部濾餅過濾,阻礙顆粒的前進,使得金屬橡膠平均孔隙徑 φ減小.

通過對B組進行分析,也能夠得出與A組類似的結(jié)論(見圖5).相同高度、絲徑,不同孔隙度的試件,隨著孔隙度的降低,過濾效果總體逐步提高.

對于4μm顆粒的過濾前后污染度等級折線可知,在未濾至B1和B1～B2處,4μm顆粒的污染度等級明顯降低,斜率較大,孔隙度的減小對過濾效果影響大;在B3、B4、B5和B6處,樣液污染度等級沒有明顯改變,可得出,當(dāng)孔隙度小于77.7%時,孔隙度對4μm顆粒的過濾影響已經(jīng)不是主要因素.

圖5 B組φw 0.15mm過濾后污染度等級Fig.5 Filtered pollution level ofφw 0.15mm of group B

對于6μm顆粒和14μm顆粒等級折線可以看出,在未濾至B1處,折線的斜率較大,過濾效果比較明顯;在B2、B3、B4、B5和B6處,污染等級變化相對較小,但斜率呈現(xiàn)出一致性,可以得出孔隙度對過濾仍有影響.

通過分析可知,伴隨著孔隙度的降低,金屬橡膠的內(nèi)部絲線會變得更加密實,從而流體的通道也會變得更加細(xì)小,能夠通過的顆粒直徑更小,過濾精度更高.

相同高度、孔隙度下,不同絲徑的A組和B組橫向?qū)Ρ?見圖6),可以看出,隨著絲徑φw增大到0.15mm,經(jīng)同高度、孔隙度試件過濾后各樣液的污染度等級均升高1～2級,但絲徑φw為0.15 mm的試件過濾效果優(yōu)于絲徑φw為0.3 mm的試件.

圖6 不同絲徑下的過濾效果橫向?qū)Ρ菷ig.6 Lateral comparison of filtered result in differentwire diameters of group A and group B

根據(jù)式(1)分析可知,隨著絲徑的增加,金屬橡膠平均孔隙徑φ增大,與實驗結(jié)果一致.

從圖6中可以看出,隨著樣液顆粒的增大,過濾前后污染度等級變化更為明顯.即經(jīng)同一試件過濾后,6μm顆粒的污染度等級變化大于4μm顆粒.同樣,14μm顆粒的污染度等級變化大于6μm顆粒,主要是因為金屬橡膠內(nèi)部絲線密實相同的情況下,沉積與捕捉共同作用的效果.

不同厚度C組試件的污染度等級(見圖7)表明,在金屬橡膠孔隙度、絲徑相同的情況下,過濾元件的厚度對過濾效果的影響十分顯著,伴隨著元件厚度的增加,過濾效果也會得到有效提升.

當(dāng)試件厚度在5～20mm時,4,6,14μm三種顆粒的污染度等級變化均比較明顯.對比圖6可知,相比于試件孔隙度和絲徑,此時試件厚度對3種顆粒的過濾過程起到主要作用.當(dāng)試件厚度達到20mm時,6,14μm顆粒的污染度等級變化仍比較明顯,但4μm顆粒的過濾效果不再受試件厚度增加影響.這是因為當(dāng)試件厚度超過20mm時,隨著厚度的增大,重力產(chǎn)生的壓強減小,6μm顆粒和14μm顆粒很難通過試件而被滯留在試件內(nèi)部,而4μm顆粒相對較小,不會受到顯著影響.

圖7 C組過濾后污染度等級Fig.7 Filtered pollution level of group C

3 結(jié) 論

對金屬橡膠過濾機制和過濾性能的研究表明,耐高低溫,彈性性能高,阻尼性好,抗疲勞老化,壽命長,能夠重復(fù)多次使用的金屬橡膠,是一種具有較高應(yīng)用前景的過濾材料.從實驗結(jié)果分析可得以下結(jié)論:

1)從A組和B組中高度、絲徑相同,孔隙度不同的試件A1至A6和B1至B6的過濾效果可以看出,孔隙度降低時,空隙徑相對減小,導(dǎo)致能夠通過的顆粒數(shù)明顯減少,過濾效果逐步提高.但對直徑極小的顆粒過濾效果上存在一定局限性,主要體現(xiàn)在過濾等級的變化范圍較小,即到一定程度時,孔隙度的降低不再提高顆粒的過濾效果.

2)從對同等高度、孔隙度,不同絲徑的A組和B組試件的過濾后污染度等級的橫向?qū)Ρ瓤梢钥闯?經(jīng)B組中直徑0.15mm的各試件過濾后的污染度等級低于同孔隙度的A組直徑0.3 mm的各試件.當(dāng)樣液顆粒直徑較大(如直徑6～14μm的顆粒)時,增大試件絲徑會在一定程度上降低金屬橡膠過濾效率.

3)從C組中同等孔隙度、絲徑,不同厚度的元件過濾效果折線圖分析得出,元件厚度對過濾效果的影響十分顯著,當(dāng)元件的厚度不斷增加時,對懸浮顆粒的過濾效果得到了有效的提升.對比A、B、C組試件及過濾后污染等級變化折線圖,可知試件厚度相比于試件孔隙度和絲徑,對金屬橡膠的過濾性能有更明顯的影響作用.

4)巧克力奶在過濾后,其顆粒濃度和大小均有下降,特別是在4μm以上的顆粒數(shù)發(fā)生了明顯的變化,說明金屬橡膠對巧克力奶的過濾起到了很好的作用.

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M etal Rubber's App lication Research in Filtrating Equipments

DONG Xiuping, GUAN Jiajia, XIANG Huiyu, ZHOU Xiaozhuang
(School ofMaterials and Mechanical Engineering,Beijing Technology and Business University, Beijing 100048,China)

Metal rubber,which hasa series of excellent properties,is combined with bothmetal and rubber's characteristics.Bymeans of VHX-600 super field depth three-dimensionalmicroscope and HPCA -2 portable analyzer of contamination,the filtrating experiments about chocolatemilk sampleswere carried outusingmetal rubber cylindrical filter elementswith different structure parameters.The broken line graph about the chocolatemilk's pollution level before and after filtering was obtained through changing porosity,wire diameter,and thickness of the specimen shape.And the decrease of porosity and wire diameter aswell as the increase of thickness could improve the filtering performance ofmaterials,which was obtained through the horizontal and vertical comparison of the broken line graph.

metal rubber;porosity;wire diameter;thickness;level of contamination

檀彩蓮)

TS244;TS274

A

10.3969/j.issn.2095-6002.2014.03.013

2095-6002(2014)03-0072-05

董秀萍,管佳佳,項輝宇,等.金屬橡膠在巧克力奶過濾上的應(yīng)用研究.食品科學(xué)技術(shù)學(xué)報,2014,32(3):72-76. DONG Xiuping,GUAN Jiajia,XIANG Huiyu,et al.Metal rubber's application research in filtrating equipments.Journal of Food Science and Technology,2014,32(3):72-76.

2013-08-30

北京市自然科學(xué)基金資助項目(2112011);北京市教委科研計劃面上項目(SQKM201210011009).

董秀萍,女,副教授,博士,主要從事機械設(shè)計及原理方面的研究.